Les matériaux solides sont généralement connus pour être rigides et immobiles, mais les scientifiques renversent cette idée en explorant des moyens d’incorporer des pièces mobiles dans les solides. Cela peut permettre le développement de nouveaux matériaux exotiques tels que les cristaux amphidynamiques – des cristaux contenant à la fois des composants rigides et mobiles – dont les propriétés peuvent être modifiées en contrôlant la rotation moléculaire au sein du matériau.
Un défi majeur pour réaliser le mouvement dans les cristaux – et dans les solides en général – est la character très compacte de leur structure. Cela limite le mouvement dynamique aux molécules de taille limitée. Cependant, une équipe dirigée par le professeur agrégé Mingoo Jin de l’Institut pour la conception et la découverte de réactions chimiques (WPI-ICReDD) de l’Université d’Hokkaido a établi un record de taille pour un tel mouvement dynamique, démontrant que le plus grand rotor moléculaire s’est avéré opérationnel dans le solide. État.
Un rotor moléculaire est constitué d’une molécule centrale en rotation qui est reliée par des molécules d’axe à des molécules de stator stationnaires, de la même manière qu’une roue et un essieu sont connectés au châssis d’une voiture. De tels systèmes ont déjà été rapportés, mais le matériau cristallin de cette étude comporte un rotor opérationnel constitué de la molécule pentiptycène, dont le diamètre est près de 40 % plus grand que celui des rotors précédents à l’état solide, marquant une avancée significative.
Pour permettre la rotation d’une molécule aussi grosse, il était nécessaire de créer suffisamment d’espace libre au sein du solide. L’équipe a synthétisé des complexes métalliques concaves en forme de parapluie qui pourraient protéger la molécule du rotor des interactions indésirables avec d’autres molécules du cristal. Ils ont pu créer suffisamment d’espace pour accueillir le rotor géant en attachant une molécule particulièrement volumineuse et volumineuse à l’atome métallique du stator.
« J’ai eu l’idée d’un œuf, qui fait un grand espace et protège son intérieur avec une couverture rigide circulaire », a déclaré Jin. « Pour apporter cette fonctionnalité à une molécule, j’ai envisagé d’encapsuler l’espace du rotateur en utilisant des stators volumineux de forme concave. »
Une comparaison des spectres de résonance magnétique nucléaire expérimentaux et simulés du cristal a suggéré que le rotor moléculaire géant tourne à intervalles de 90 degrés à une fréquence comprise entre 100 et 400 kHz.
Ce travail élargit les possibilités du mouvement moléculaire à l’état solide. Il fournit un modèle pour explorer de nouvelles voies dans le développement de cristaux amphidynamiques et pourrait conduire au développement de nouveaux matériaux fonctionnels dotés de propriétés uniques.
« Les rotateurs pentiptycènes utilisés dans ce travail ont plusieurs web pages de poche », a commenté Jin. « Cette caractéristique structurelle permet l’inclusion de nombreux varieties de composés invités, notamment des luminophores, ce qui pourrait permettre le développement de matériaux solides optiques ou luminescents hautement fonctionnels et sophistiqués. »
